LTE - Collegio Ingegneria Elettronica

LTE: THE EVOLUTION TO 4G WIRELESS
Università degli Studi Roma Tre - Facoltà di Ingegneria, 8 Maggio 2013
Speakers
Marcello Donato
Ing. TLC
Università ‘‘Federico II’’ , Napoli
Carlo Salatino
Ing. TLC
Università della Calabria
Agenda
Il programma Junior Consulting
LTE: the evolution to 4G wireless
LTE: un caso applicativo
Presentazione Programma
Junior Consulting
Chi Siamo
Il Programma
Informazioni Generali
Chi siamo
CONSEL
Consorzio ELIS
Società consortile nata nel 1992 con
l’obiettivo
principale
di
favorire
l’incontro tra il mondo universitario e le
realtà aziendali, proponendo percorsi
formativi di eccellenza.
CONSULTING ACADEMY
•
Nasce nel 2003 all’interno del
Consorzio ELIS con l’obiettivo di
offrire ai propri clienti servizi di
consulenza aziendale di alta qualità
e innovazione.
•
Ci accomuna la passione per la
formazione umana e lo sviluppo
della persona.
Il programma Junior Consulting
Il programma, della durata di cinque mesi, si propone di creare un ponte tra le
università e il mondo del lavoro, facilitandone l'accesso con l’obiettivo di accrescere le
competenze umane e professionali fornendo:
•
Sviluppo di un reale progetto di consulenza finalizzato alla stesura della Tesi
magistrale
•
Formazione manageriale e comportamentale
•
Percorso di sviluppo personale con il supporto di un Tutor dedicato
•
E molto altro…
Il programma è rivolto ai migliori laureandi magistrali,
provenienti da università italiane e straniere, delle facoltà di:
•
Ingegneria
•
Informatica
•
Economia
•
Scienze Matematiche e Statistiche
Il project work - La tua futura tesi di laurea
Gli allievi lavorano ad un progetto di consulenza reale,
commissionato da una delle aziende del Consorzio
ELIS.
Ogni progetto è sviluppato da un team di 3 allievi,
seguiti da un team leader dedicato.
Il project work rappresenta la parte sperimentale della
tesi di laurea dei partecipanti al programma Junior
Consulting.
TECHNOLOGY
BUSINESS
Educational Plan - La formazione
SOFT SKILLS
HARD SKILLS
TEAM BUILDING
COMUNICAZIONE
EFFICACE & PUBLIC
SPEAKING
OFFICE AVANZATO
PROJECT
MANAGEMENT PREPARAZIONE ALLA
CERTIFICAZIONE
CAPM
MBTI
PERSONAL
DEVELOPMENT
INTERVIEWS OBIETTIVI E
STRUMENTI
TECNICHE DI
CREATIVITÀ
BUSINESS MODELING
PERSONAL
LEADERSHIP
SELF MARKETING
ENGLISH SCHOOL
Personal Development - Pensiamo a te
Gli allievi seguiranno un percorso di personalizzato con un tutor dedicato al fine di
individuare degli obiettivi di sviluppo personale.
Attraverso una serie di incontri one-to-one:
•
Individuazione dei punti di forza e di miglioramento.
•
Definizione di un piano di sviluppo per la propria crescita personale e professionale.
E inoltre…
SALOTTI DI
ESPERIENZA
BRAINSTORMING
Junior Consulting in sintesi
UNIVERSITÀ
AZIENDA
TESI
DELIVERABLES
PLACEMENT
Placement – Entra nel mondo del lavoro
CAREER DAY ESCLUSIVI
Al termine di ogni edizione i
partecipanti
al
programma
possono sostenere colloqui di
selezione con le Aziende partner
del Consorzio ELIS.
Informazioni generali
Partenza edizione: 8 Luglio 2013
Termine invio candidature: 28 Giugno 2013
Contatti
Mail: [email protected]
Facebook: https://www.facebook.com/ProgrammaJC
Twitter: https://twitter.com/JuniorCons
Google+: https://plus.google.com/117350613979366454272/
Ogni allievo potrà richiedere l’attivazione del prestito d’onore erogato da
AVEL – Amici e Volontari ELIS per un massimo di 1500€
Agenda
Il programma Junior Consulting
LTE: the evolution to 4G wireless
LTE: un caso applicativo
LTE: the evolution to 4G wireless
Introduzione
La tecnologia
Il mercato
Un po’ di storia…
Dal TACS all’HSPA+
2001/2002
GSM/GPRS/EGPRS
1990
E-TACS
Analogico 1G
Solo voce
1995
Digitale 2G
GSM
Voce + dati CS +
Digitale 2G
dati PS 200 kbps
Voce + dati CS
9,6 kbps
2003
UMTS
Digitale 3G
Voce + dati PS
384 kbps
2005-2011
HSDPA @ 1.8 Mbps
HSDPA @ 7.2 Mbps
HSDPA @ 14 Mbps
HSDPA @ 21 Mbps
HSPA+ DC @ 42 Mbps
Evoluzione dello standard 3GPP
Rel-10
Rel-8
LTE
Rel-7
Rel-11
Rel-9
HSPA+
Rel-6
Rel-5
LTE Adv.
HSUPA
HSDPA
Rel-99
UMTS
2000
Rel-4
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
• LTE è il passo successivo all’HSPA per le comunicazioni radiomobili.
• L’evoluzione è dettata dai requisiti sulla latenza e sul data rate.
2009
2010
2011
2012
Perché LTE? Principali driver
Costi
Minori OPEX e upgrade costs
Throughput
Latenza
• TTI da 1 ms
• Minor numero di
nodi
•
•
Esplosione del
traffico dati
(nuovi servizi e
applicazioni)
Sempre maggior
domanda di
servizi mobili
broadband
• Maggiore
flessibilità di
spettro
• Mix di tecniche e
tecnologie radio
Le tecnologie abilitanti per LTE
Tecniche MIMO
Tecniche di modulazione
(QPSK, 16QAM, 64QAM)
Banda Scalabile
SAE CN
MME
P/S-GW
Tecniche di accesso
(OFDMA, SC-FDMA)
Architettura Flat
eNB
eNB
Tecniche di accesso: OFDMA e SC-FDMA
Downlink
• Trasmissione parallela tra le
sottoportanti
• Robusta all’ISI
• Alta efficienza spettrale e
bassa interferenza tra i canali
• Adatta al MIMO
SC-FDMA
Uplink
• Trasmissione in serie sulle
sottoportanti
• Basso Peak to Average Power
Ratio (PAPR)
• Robusta al multipath
SC-FDMA (Single Carrier-FDMA)
OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access)
• Semplice da implementare
(FFT, IFFT)
Tecniche di modulazione (Adattativa)
A seconda della qualità del canale radio riportata dal terminale, l’eNodeB sceglie lo
schema di modulazione in UL e DL (QPSK, 16QAM o 64QAM)
Condizioni Canale Radio
Pessime
QPSK
(2 bits/symbol)
Buone
16 QAM
(4 bits/symbol)
64 QAM
(6 bits/symbol)
eNodeB
Tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output)
In buone condizioni radio si utilizza lo Spatial Multiplexing: flussi di dati distinti vengono
trasmessi in parallelo su antenne diverse
•
Aumento del data rate di
picco
•
Aumento dell’efficienza
spettrale
In pessime condizioni radio (es. a bordo cella) si utilizza la Transmit Diversity: le antenne
trasmettono repliche dello stesso segnale opportunamente ritardate e codificate.
TX 1
RX 1
Miglioramento del SINR
dela
y
TX 2
RX 2
Transmit Diversity vs Spatial Multiplexing
A seconda della qualità del canale radio riportata dal terminale, l’eNodeB sceglie la
tecnica di trasmissione più adeguata
Condizioni Canale Radio
Pessime
Flusso dati 1
Buone
Flusso dati 2
Antenna A Antenna B
Antenna A 1
2
3
4 5
6 7
8
Antenna A 1
Antenna B 1
2
3
4 5
6 7
8
Antenna B 9 10 11 12 13 14 15 16
Transmit Diversity/
Low data rate
2
3
4 5
6 7
Spatial Multiplexing/
High data rate
8
eNodeB
Banda scalabile (1/2)
• A differenza dell’UMTS che utilizza una larghezza di banda fissa a 5 MHz, in LTE è stata
definita una banda scalabile da 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz.
• Due sottoportanti consecutive sono distanziate di 15Khz
Banda (MHz)
1.4
3
5
10
15
20
Sottoportanti
72
180
300
600
900
1200
+ ampiezza di banda
+ sottoportanti a disposizione
+ data rate
In particolare con 20 MHz di banda si ottiene un data rate pari a 300 Mbps.
Banda scalabile (2/2)
CQI
CQI
eNB
UE1
UE2
Ad ogni TTI (1ms) l’eNodeB alloca dinamicamente la banda ai vari utenti sulla base
delle misure della qualità del canale (CQI) riportate dallo UE.
TTI n+1
f
Dati verso UE1
Dati verso UE2
TTI n
sub-carrier
f
Dati verso UE1
TTI n-1
Dati verso UE2
f
Dati verso UE1
Dati verso UE2
Architettura semplificata: “Flat Architecture”
UMTS/WCDMA
GGSN
LTE
CN
SAE CN
MME
P/S-GW
SGSN
RNC
RNC
Funzionalità dell’RNC
spostate sull’eNodeB
NodeB
NodeB
RNC posto tra la Rete di Accesso (NodeB) e
la Core Network
eNodeB
eNodeB
L’architettura flat ottimizza le performance e
riduce i costi
Evolved Packet System (EPS)
Evolved UTRAN (E-UTRAN)
Evolved Packet Core (EPC)
HSS
eNB
Mobility
Management
Entity
Policy & Charging
Rule Function
S6a
MME
X2
S10
Gx
Rx
PCRF
S11
LTE-Uu
S5/S8
S1-U
LTE-UE
Evolved Node B
(eNB)
Serving
Gateway
SGi
PDN
Gateway
S-GW /P-GW
PDN
Riassumendo…
Un mix di tecniche e tecnologie radio permette di rispondere ai
requisiti della nuova rete radiomobile
Reattività
della rete
Throughput
~10 ms
300 Mb/s
La gestione del servizio «voce»
La gestione del servizio «voce»: il CSFB
•
Il servizio voce su LTE prende il nome di VoLTE (Voice over
LTE) ed è un servizio Full IP.
•
Nella release attuale ancora non è disponibile quindi si usa
la feature CS FallBack: si ripiega su rete 2G/3G per
effettuare una chiamata vocale su dominio CS.
LTE
WCDMA
Condizione necessaria per il CSFB è la sovrapposizione della
copertura LTE con quella WCDMA/GSM.
GSM
Solo servizi PS
CS FallBack
LTE
S1 - MME
MME
(Release with
Redirect)
SGs
WCDMA/GSM
Servizi PS e CS
A / Iu
MSC
Chiamata
voce su
dominio CS
Il mercato
Diffusione
Aspetti
implementativi
Situazione in Italia e nel mondo
• Frequenze assegnate tramite asta
conclusasi il 29 settembre 2011.
• Effettuati test sulla rete e
dimostrazioni agli utenti.
• Lanciata l’offerta commerciale.
Paesi con lancio commerciale LTE
Paesi con deployment LTE in corso o pianificato
• Interferenze con DTT sulla banda
800 MHz.
Paesi con trial LTE in corso
• 163 lanci commerciali in 67 Paesi
• 415 Operatori Mobili hanno dichiarato di investire su LTE in 124 Paesi*
* fonte: GSA – Aprile 2013
L’assegnazione delle frequenze 4G
L'asta per l'assegnazione delle frequenze è iniziata il 30 agosto 2011 e si è conclusa il 29
settembre 2011 vedendo la partecipazione dei quattro Operatori Mobili.
ASTA FREQUENZE 4G - Licenze nazionali valide fino al 31 dicembre 2029
@800 MHz: 6 lotti FDD 2x5 MHz di cui uno specifico privo di obblighi di copertura - Disponibilità 1° gennaio 2013
@1800 MHz: 3 lotti FDD 2x5 MHz – Disponibilità 1° febbraio 2012
@2000 MHz: 1 lotto TDD – Non assegnato (libero)
@2600 MHz: 12 lotti FDD 2x5 MHz di cui uno specifico + 2 lotti TDD 15 MHz - Disponibilità 1° gennaio 2013 con
obbligo di assicurare diritto a protezione al Ministero della Difesa fino al 31.12.2012
Esito
gara
800 MHz
5 5
5 5
1800 MHz
5
5
2600 MHz
5 5 5
5 5 5
5 5
5
5 5 5 5
5 5
15
2600 TDD
1260 M€
1260 M€
1120 M€
15
305 M€
5
Blocco
specifico
Assegnazione bande per servizi radiomobili
• Una volta completato il refarming dello spettro radio verranno liberati i canali sulle bande 900 MHz
e 1800 MHz, attualmente utilizzati per il GSM.
• A finale i servizi LTE saranno erogati sulle bande 800 MHz, 1800 MHz e 2600 MHz.
Banda FDD (MHz)
800
UTILIZZO
ATTUALE
UTILIZZO
FUTURO
LTE
900
1800
2100
GSM
GSM
UMTS
UMTS
LTE
UMTS
TDD
2600
2600
LTE
LTE
Commercializzazione LTE in Italia
• Nella fase iniziale dell’implementazione
LTE, la copertura sarà fornita «a spot»
(grandi centri urbani e località turistiche)
• La strategia adottata dagli operatori è
quella di offrire i servizi LTE nelle zone
dove i servizi 3G avanzati non sono
presenti
Operatore
Lancio commerciale
Copertura
7 Novembre 2012
43 comuni
31 Ottobre 2012
21 comuni
Dicembre 2012
Roma e Milano
Giugno 2013
(previsto)
-
I terminali e le categorie
Tablet
Smartphone
iPhone 5
Lumia 920
Dongle USB
Huawei E589
Galaxy SIII
Samsung GT-P7320
Onda TD601
iPad Mini
Categorie dei terminali
1
2
3
4
5
Throughput di picco
in DL (Mbps)
10
50
100
150
300
Throughput di picco
in UL (Mbps)
5
25
50
50
75
Modulazione in DL
64QAM
Modulazione in UL
Layer di Spatial
Multiplexing (MIMO)
16QAM
1
2
64QAM
4
• La categoria del terminale e
la qualità del ricevitore
impattano sulle prestazioni
• I terminali attualmente
disponibili in commercio
sono di categoria 3.
Agenda
Il programma Junior Consulting
LTE: the evolution to 4G wireless
LTE: un caso applicativo
LTE: un caso applicativo
Virtual Home Network in rete LTE
Scenario
Rischio sovraccarico
Copertura cellulare
Tale tendenza può
tradursi in un
sovraccarico della
rete degli operatori
di telefonia mobile
La mobilità porta
l’utente in aree con
copertura non
sufficiente a garantire
una buona
qualità
Tendenze
Le richieste in termini di
servizi, banda e numero
di utenti, in ambito
mobile, sono destinate
a crescere nel futuro
Traffico indoor
Il 60-70% del traffico
voce/dati da mobile
è attualmente
generato in ambienti
indoor
Obiettivi
Obiettivi
Studio tecnologia LTE
Studio Small Cells LTE
Small Cells
Definizione e studio di
fattibilità di scenari
Avvicinare la rete
agli utenti
d’uso per Virtual
restringendo le aree
Home Network
di copertura
Servizi
Ideare nuovi servizi
che facilitino la
diffusione di LTE
Offloading
Virtual Home Network
Alleggerimento del
carico di lavoro degli
eNodeB e della core
network
Accesso ai dispositivi/servizi
digitali in qualsiasi
momento, in qualsiasi
luogo e da qualsiasi
terminale LTE
Small Cells
Vantaggi
Small Cells
avvicinare la rete all’utente
restringendo le aree di copertura
• Alleggerimento del carico di lavoro di
ogni eNodeB.
• Maggiore efficienza nella copertura del
territorio.
• Servizi personalizzati da offrire all’utenza
Vantaggi
Small Cells
Tipologia
~10Km
~2Km
~200m
~30m
MACRO
CELLA
MICRO
CELLA
PICO
CELLA
veri e propri eNB di proprietà
dell’operatore
FEMTO
CELLA
dispositivo personale: fornisce servizi in
ambiente home e business
Femtocella
Core Network
Femtocelle e Virtual Home Network
Nell’ambito delle Small Cells, le femtocelle (Home eNodeB - HeNB) sono i dispositivi più adatti alla
realizzazione di scenari di Virtual Home Network in reti LTE
Buona qualità del segnale indoor
Possibilità di usufruire di servizi personalizzati
Minor consumo della batteria
Utente
Copertura capillare del territorio
Operatore
Basso numero di utenti simultanei per cella
Possibilità di ridurre il carico di rete
(implementazione tecniche di offloading LIPA
e SIPTO)
Utente generico
Utente CSG
• Dispositivo autoconfigurante (Plug&Play)
acquistato ed installato dall’utente.
HeNB
HeNB
HeNB
• Definizione del Closed Subscriber Group (CSG):
Open, Closed, Hybrid.
• Collegamento alla Core Network tramite
connessione broadband dell’utente (xDSL).
Open
Accesso libero
Hybrid
Accedono membri/non
membri del gruppo
Closed
Accedono solo i
membri delgruppo
Architettura e Sicurezza
L’accesso alla Core Network (CN) avviene attraverso un canale insicuro.
Architettura e Sicurezza
•
Il Security Gateway (Se-GW) consente la mutua autenticazione
tra la CN e l’HeNB.
•
Le funzionalità dell’Se-GW sono obbligatorie e se presente
come entità fisica è collocata al confine con la CN.
Ip-Sec Tunnel
•
Tunnel IPSec tra l’HeNB e il Se-GW.
Network
Backhaul
HeNB
Se-GW
Architettura e Sicurezza
•
Offre diverse funzionalità:
− Aggregazione del traffico di un gruppo di HeNB.
− Semplificazione della gestione degli HeNB.
− Protezione della rete.
•
Sono possibili tre tipi di architettura, a seconda del numero di HeNB da gestire:
− Con HeNB-GW.
− Senza HeNB-GW.
− Con l’HeNB-GW utilizzato solo per il piano di controllo (C-plane).
Tecniche di Offloading
Local IP Access (LIPA)
Ip-Sec Tunnel
•
L’accesso ai servizi LIPA avviene attraverso una sottoscrizione dell’UE alla femtocella.
•
Creazione di una Virtual Home Network con la possibilità di comunicare con i devices presenti nella Local
Area.
•
U-plane confinato all’interno della VHN alleggerendo il carico della Core Network.
•
C-plane gestito dalla Core Network.
Tecniche di Offloading
Local IP Access (LIPA)
Traffico locale nella VHN
•
Attraverso gli APN è possibile differenziare il traffico d’utente.
•
Il Local Gateway (L-GW) ha le seguenti funzionalità:
− Assegnazione dell’IP
− Punto di breakout del traffico
− Funzionalità di NAT
Tecniche di Offloading
Selected IP Traffic Offload (SIPTO)
Evolved Packet Core (EPC)
LTE-UE
eNB
Internet
HeNB
L-GW
IP BACKHAUL
Traffico dati con SIPTO
•
Possibilità di scaricare la rete dell’operatore individuando il percorso ottimo per uscire dalla CN il più
velocemente possibile.
•
L’MME può selezionare il traffico da scaricare in base all’APN per il quale l’UE ha richiesto l’accesso.
Servizi scelti
Le femtocelle rappresentano una piattaforma di distribuzione per una nuova
classe di servizi a valore aggiunto, i cosiddetti Femtozone Services.
Servizio Home: Multimedia Sync
Sincronizzazione dei dispositivi multimediali al rientro in casa e accesso da remoto.
Servizio Business: Comodo Pre-Volo
Rivolto alle compagnie aeree che vogliono offrire assistenza pre-volo in aeroporto
tramite riconoscimento dell’utente in femtocella.
Servizio Home – Multimedia Sync
Sincronizzazione automatica
click!
Bob scatta foto e
scambia musica
con Alice.
Riconoscimento dell’utente all’ingresso della femtocella
Sincronizzazione automatica dei contenuti prodotti fuori casa
Utente
Realizzazione VHN tra tutti i dispositivi presenti in casa
Operatore
Possibilità di diminuire il carico di rete
e offrire servizi personalizzati
Servizio Home – Multimedia Sync
Controllo remoto
Femtocella COMBO (LTE + Wi-Fi)
Integrazione con lo standard DLNA
Controllo remoto da smartphone tramite app
Possibilità di sincronizzare i file anche da remoto
Servizio Business – Comodo Pre-Volo
Servizio sviluppato ad-hoc per compagnie aeree
Riconoscimento dell’utente all’ingresso in aeroporto
Ricezione di informazioni e percorsi dedicati, in funzione della prenotazione effettuata
Innovativo sistema di advertising
Conclusioni
• L’uso delle femtocelle per la realizzazione di VHN in reti LTE aggiunge un altro tassello
all’insieme dei servizi che l’operatore riesce ad offrire ai propri clienti.
• Ideazione di servizi innovativi grazie al punto di vista differente dei tre studenti partecipanti al
programma.
Esperienza lavorativa
Tesi sperimentale
Tematiche innovative e
sfidanti
[email protected]
[email protected]